JP2007170326A - 網目状アクチュエータおよびアクチュエータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】形状記憶合金や高分子アクチュエータなどの外部刺激により形状変化する線材を用いて構成する網目状アクチュエータにおいて、線材の皮膜剥がれなどによる問題の発生を抑制し、信頼性を高める。
【解決手段】網目状アクチュエータは、外部刺激（たとえば電流）を伝達し且つその外部刺激により形状変化を起こす刺激反応線材１と、刺激反応線材１とともに編み合わされて外部刺激を伝達しない絶縁線材２と、を有し、刺激反応線材１の表面同士が、直接接触せず絶縁線材を介して接触するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえばロボットの関節などを駆動するために用いられる網目状アクチュエータおよびアクチュエータシステムに関するものである。

ロボットは、産業用の用途のほか、福祉用途や防犯、家事を目的とした家庭での使用が期待されており、そのための多くの研究、開発が行なわれている。福祉や家庭での用途では人間との接触が不可避であり、人間との親和性を高める技術の開発が重要になってきている。現在では、人間の言葉を理解したり、人の顔を認識したりすることも可能になってきている。しかし、人間にとってのロボットの安全性、快適性については大きな進展がない。その主因は、人間との親和性があるアクチュエータの開発が遅れていることにあると考えられる。

人間との親和性のあるアクチュエータとして形状記憶合金（ＳＭＡ）や高分子アクチュエータ（たとえば特許文献１参照）が注目されている。ＳＭＡや高分子アクチュエータを用いることにより、柔軟で無騒音のロボット用アクチュエータを構成することが可能である。しかし、ＳＭＡや高分子アクチュエータは大きな変形量と大きな発生力を両立させることはむずかしく、たとえば収縮タイプのＳＭＡ線材の場合、発生応力は１００ＭＰａ程度と比較的大きいのに対し、収縮率が５％程度と小さい。一方、線材をコイル状にして収縮率を１００％以上としたものでは発生応力は１ＭＰａ程度と小さい。
特開２００５−１１１２４５号公報 特開２００２−４８０５３号公報

ＳＭＡを網目状に構成することにより、発生力と収縮率との両立を図る試みがある（たとえば特許文献２参照）。しかし、外部刺激により変形する線材のみで構成された網目状アクチュエータは、駆動時に線材同士がすれて皮膜が剥がれるため導電回路（外部刺激経路）の短絡によって、その刺激伝達に不具合が生じる場合がある。

本発明は前記課題を解決するものであって、ＳＭＡや高分子アクチュエータなどの外部刺激により形状変化する刺激反応線材を用いて構成する網目状アクチュエータおよびかかるアクチュエータを用いたアクチュエータシステムにおいて、刺激反応線材の皮膜剥がれなどによる問題の発生を抑制し、信頼性を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る網目状アクチュエータは、外部刺激を伝達し且つその外部刺激により形状変化を起こす刺激反応線材と、前記刺激反応線材とともに編み合わされて前記外部刺激を伝達しない絶縁線材と、を有し、前記刺激反応線材の表面同士が、直接接触せず前記絶縁線材を介して接触するように構成されていること、を特徴とする。

また、本発明に係る網目状アクチュエータは、外部刺激を伝達し且つその外部刺激により形状変化を起こす刺激反応線材を用いた網目状アクチュエータであって、それぞれに異なる刺激反応線材を用いた複数の単位網目状アクチュエータと、前記複数の単位網目状アクチュエータ同士を接続する、前記外部刺激を伝達しない絶縁部材と、を有し、前記複数の単位網目状アクチュエータそれぞれに個別に外部刺激を伝達できるように構成されていること、を特徴とする。

また、本発明に係るアクチュエータシステムは、外部刺激を伝達し且つその外部刺激により形状変化を起こす刺激反応線材を用いた網目状アクチュエータと、この網目状アクチュエータに与えられる刺激を制御する刺激制御部を有するアクチュエータシステムにおいて、前記網目状アクチュエータは、それぞれに異なる刺激反応線材を用いた複数の単位網目状アクチュエータと、前記複数の単位網目状アクチュエータ同士を接続する、前記外部刺激を伝達しない絶縁部材と、を具備し、前記刺激制御部は、前記複数の単位網目状アクチュエータそれぞれに個別に外部刺激を与えるように構成されていること、を特徴とする。

本発明によれば、アクチュエータの駆動により、刺激反応線材の表面の擦れなどによって皮膜剥がれなどが発生しても、刺激反応線材の表面同士が直接接触していないため、電気的短絡などの不具合を防止または抑制することができる。

本発明に係る網目状アクチュエータの一実施形態を、図１および図２を参照して説明する。図１において、複数の刺激反応線材１および複数の絶縁線材２それぞれが波状に曲げられていて、互いに交差して網目状のアクチュエータが構成されている。刺激反応線材１同士および絶縁線材２同士は互いに接触しないように構成されている。刺激反応線材１はたとえば形状記憶合金や導電性高分子材料からなる心材に絶縁材の被覆を施したものが好ましいが、絶縁材の被覆は省略することも可能である。

刺激反応線材１に刺激たとえば電気的刺激や熱的刺激を与えるために、電源（図示せず）などが刺激反応線材１に接続されている。

刺激反応線材１に電気的刺激などの刺激が与えられると、この刺激に応じて、刺激反応線材１はたとえば図２のように収縮し、この網目状アクチュエータ全体が収縮することになる。たとえば刺激反応線材１に形状記憶合金を用いたものである場合、この形状記憶合金に電圧を印加することにより電流が流れて発熱し、温度が上昇することにより形状変化が生じる。電流を遮断すると発熱が止まり、自然放冷または強制冷却によって温度が低下し、形状変化は停止する。元の形状に戻すような外力が加えられると、網目状アクチュエータは元の形状に戻る。

この実施形態では、刺激反応線材１の表面同士が直接接触せず、間に絶縁線材２が介在しているので、刺激反応線材１の絶縁材被覆が磨耗などによって剥がれても電気的に短絡することがない。さらに、刺激反応線材１の絶縁材被覆を省略する構造も可能である。

図示の例では複数の刺激反応線材１と複数の絶縁線材２が編み合わされているが、図示の左右両端同士を接続して筒状にし、刺激反応線材１と絶縁線材２が螺旋状に延びるようにすれば、刺激反応線材１と絶縁線材２を各１本とすることもできる。

図３は、図１および図２の網目状アクチュエータの編み方をメリヤス編みとした例を示す。

図４および図５は、本発明に係る網目状アクチュエータの他の実施形態を示す。この実施形態では、複数の刺激反応線材１が互いに平行に配置され、これらと交差するように、互いに平行な複数の絶縁線材２が配置されていて、ブレード編みを構成している。そして、全体として図５に示すように円筒状に構成されている。この場合も、刺激反応線材１の表面同士が互いに接触することがないので、刺激反応線材１の被覆材剥離による短絡を防ぐことができる。

図６は、本発明に係るアクチュエータシステムの実施形態を示す。図に示すように、第１の単位網目状アクチュエータ１０、第２の単位網目状アクチュエータ１１、第３の単位網目状アクチュエータ１２が各絶縁体１３をはさんで直列に配置されている。第１、第２、第３の単位網目状アクチュエータ１０、１１、１２それぞれは、たとえば図１〜図４に示すような刺激反応線材１と絶縁線材２とを編み合わせた網目状アクチュエータの構造のいずれであってもよいし、刺激反応線材１のみを編み合わせた従来型の網目状アクチュエータであってもよい。

第１、第２、第３の単位網目状アクチュエータ１０、１１、１２の刺激反応線材１に刺激を与えるために、それぞれ、第１の電源１４、第２の電源１５、第３の電源１６が接続されている。第１、第２、第３の電源１４、１５，１６は個別に制御でき、これにより第１、第２、第３の単位網目状アクチュエータ１０、１１、１２を個別に動作させることができる。このような構成により、第１、第２、第３の単位網目状アクチュエータ１０、１１、１２の集合体全体で、複雑な動作を実現できる。なお、ここでは単位網目状アクチュエータの個数が３個の例を示しているが、この個数は複数であればいくつでもよい。

さらに、絶縁体１３を絶縁線材２とすれば、図１〜図５に示した網目状アクチュエータを複数の部分に分けてそれぞれの部分の刺激反応線材１に個別の刺激を与えることと同様の構造とすることができ、その場合でも同様の作用・効果が得られる。

さらに、第１、第２、第３の網目状アクチュエータ１０、１１、１２ごとに刺激反応線材１の太さや材質などを異ならせることも可能である。これにより、さらに複雑な動作を実現できる。また、第１、第２、第３の網目状アクチュエータ１０、１１、１２ごとに刺激反応線材１の太さや材質などを異ならせたうえで、これらの電源を共通のものとすることもできる。

以上、種々の実施形態について説明したが、これらは例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。

本発明に係る網目状アクチュエータの一実施形態の非通電時の状態を示す正面図。 図１の網目状アクチュエータの通電時の状態を示す正面図。 本発明に係る網目状アクチュエータの他の実施形態を示す正面図。 本発明に係る網目状アクチュエータの他の実施形態を示す正面図。 図４の網目状アクチュエータを円筒状に組み立てた状態を示す斜視図。 本発明に係る網目状アクチュエータシステムの実施形態を示す模式的構成図。

符号の説明

１…刺激反応線材
２…絶縁線材
１０、１１、１２…単位網目状アクチュエータ
１４、１５、１６…電源

Claims (9)

1. 外部刺激を伝達し且つその外部刺激により形状変化を起こす刺激反応線材と、
   前記刺激反応線材とともに編み合わされて前記外部刺激を伝達しない絶縁線材と、
   を有し、
   前記刺激反応線材の表面同士が、直接接触せず前記絶縁線材を介して接触するように構成されていること、を特徴とする網目状アクチュエータ。
2. 前記外部刺激は電圧の印加であって、
   前記刺激反応線材は、電流が流れることによる発熱により温度上昇して形状変化を起こす形状記憶合金を含む線材であること、
   を特徴とする請求項１に記載の網目状アクチュエータ。
3. 前記外部刺激は電圧の印加であって、
   前記刺激反応線材は、電圧の印加により伸縮する導電性高分子からなる線材であること、
   を特徴とする請求項１に記載の網目状アクチュエータ。
4. 前記刺激反応線材は、外部刺激を伝達し且つその外部刺激により形状変化を起こす心材と、この心材の外表面を覆うように配置された電気絶縁材からなる被覆とを有すること、を特徴とする請求項２または請求項３に記載の網目状アクチュエータ。
5. 前記刺激反応線材と絶縁線材とでメリヤス編みが構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の網目状アクチュエータ。
6. 前記刺激反応線材は複数が互いに平行に配置されており、前記絶縁線材は複数が互いに平行に配置されており、前記刺激反応線材と絶縁線材とが交差してブレード編みが構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の網目状アクチュエータ。
7. 外部刺激を伝達し且つその外部刺激により形状変化を起こす刺激反応線材を用いた網目状アクチュエータであって、
   それぞれに異なる刺激反応線材を用いた複数の単位網目状アクチュエータと、
   前記複数の単位網目状アクチュエータ同士を接続する、前記外部刺激を伝達しない絶縁部材と、
   を有し、
   前記複数の単位網目状アクチュエータそれぞれに個別に外部刺激を伝達できるように構成されていること、を特徴とする網目状アクチュエータ。
8. 前記外部刺激は電圧の印加であって、
   前記刺激反応線材は、前記複数の単位網目状アクチュエータごとに太さが異なること、
   を特徴とする請求項７に記載の網目状アクチュエータ。
9. 外部刺激を伝達し且つその外部刺激により形状変化を起こす刺激反応線材を用いた網目状アクチュエータと、この網目状アクチュエータに与えられる刺激を制御する刺激制御部を有するアクチュエータシステムにおいて、
   前記網目状アクチュエータは、それぞれに異なる刺激反応線材を用いた複数の単位網目状アクチュエータと、前記複数の単位網目状アクチュエータ同士を接続する、前記外部刺激を伝達しない絶縁部材と、を具備し、
   前記刺激制御部は、前記複数の単位網目状アクチュエータそれぞれに個別に外部刺激を与えるように構成されていること、
   を特徴とするアクチュエータシステム。

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